Divulgación Energía Térmica

[China]

Buenos días, tengo alguna duda respecto al concepto de energía térmica y otros que le acompañan, no en las definiciones que creo que las tengo claras, si no en otros aspectos, espero me puedan ayudar:

Energía térmica, es la representación a nivel macroscópico de la energía cinética de las moléculas de un sistema, es decir es el total de la energía cinética que tienen todas las moléculas del sistema y es una parte de la energía interna, de hecho en sistemas como gases ideales, esta energía térmica es la única contribución a la energía interna. Se trata por tanto de una magnitud extensiva si el sistema tienen mayor número de partículas, habrá más energía térmica.
Temperatura, es una magnitud que mide la velocidad media de las partículas constituyentes de un sistema, magnitud intensiva que no depende de la masa del sistema, si embargo afecta directamente al contenido de energía térmica, a mayor temperatura mayor energía térmica. (Antes creía que la temperatura era una medida de la energía térmica, pero ahora veo que es un error, que eso lo puedo decir en sistemas de igual masa, a mas temperatura más energía térmica, pero no si tienen masas diferentes)

Hasta aquí creo tener claro, si existe algún error en lo que planteo, por favor indíquenmelo... Ahora bien supongamos dos cuerpos de igual masa, uno a más temperatura que otro, al tener igual mas el de más temperatura tienen más energía térmica, y como la transferencia de calor siempre se produce del sistema a mayor temperatura al que está a menor, hasta que ambas se igualan, en este caso podemos decir que la transferencia de calor se da del que tienen más energía al que tienen menos, hasta que ambas temperaturas y por tanto la energía térmica de ambos se igualan. Este caso de transferencia en sistemas iguales, creo que es también correcto.

Sin embargo, supongamos dos sistemas uno a baja temperatura pero con mucha masa (Iceberg) y el otro a alta temperatura pero con poca masa (un trozo de carbón incandescente), en este caso el de menor temperatura es, por su masa, el que tendrá mayor contenido en energía térmica no?? y como el flujo de calor siempre es del cuerpo de mayor al de menor temperatura, nos encontramos en este caso, con que el de menor contenido en energía interna pierde energía térmica y el de mayor contenido gana energía térmica, es decir fluye el calor del carbón al iceberg, por estar el primero a mayor temperatura y entonces el carbón pierde energía que gana el iceberg, por tanto cuando se igualen las temperaturas, no podemos decir que el contenido en energía térmica es el mismo, como en el caso anterior..... esto es lo que me confunde que exista transferencia de calor del que tienen menos energía al que tienen más.... es correcto esto?? gracias

[arivasm]

esto es lo que me confunde que exista transferencia de calor del que tienen menos energía al que tienen más.... es correcto esto??

Es correcto y no es extraño: lo que determina el sentido del flujo del calor es la temperatura, y no la energía térmica. Haciendo una analogía, cuando se conectan dos depósitos con gas es la presión y no la cantidad total de gas la que determina el sentido del flujo.

[Richard R Richard]

Buenos días, tengo alguna duda respecto al concepto de energía térmica y otros que le acompañan, no en las definiciones que creo que las tengo claras, si no en otros aspectos, espero me puedan ayudar:

Energía térmica, es la representación a nivel macroscópico de la energía cinética de las moléculas de un sistema, es decir es el total de la energía cinética que tienen todas las moléculas del sistema y es una parte de la energía interna, de hecho en sistemas como gases ideales, esta energía térmica es la única contribución a la energía interna. Se trata por tanto de una magnitud extensiva si el sistema tienen mayor número de partículas, habrá más energía térmica.
Temperatura, es una magnitud que mide la velocidad media de las partículas constituyentes de un sistema, magnitud intensiva que no depende de la masa del sistema, si embargo afecta directamente al contenido de energía térmica, a mayor temperatura mayor energía térmica. (Antes creía que la temperatura era una medida de la energía térmica, pero ahora veo que es un error, que eso lo puedo decir en sistemas de igual masa, a mas temperatura más energía térmica, pero no si tienen masas diferentes)

todo esto bien

Hasta aquí creo tener claro, si existe algún error en lo que planteo, por favor indíquenmelo... Ahora bien supongamos dos cuerpos de igual masa, uno a más temperatura que otro, al tener igual mas el de más temperatura tienen más energía térmica, y como la transferencia de calor siempre se produce del sistema a mayor temperatura al que está a menor, hasta que ambas se igualan, en este caso podemos decir que la transferencia de calor se da del que tienen más energía al que tienen menos, hasta que ambas temperaturas y por tanto la energía térmica de ambos se igualan. Este caso de transferencia en sistemas iguales, creo que es también correcto.[Sin embargo, supongamos dos sistemas uno a baja temperatura pero con mucha masa (Iceberg) y el otro a alta temperatura pero con poca masa (un trozo de carbón incandescente), en este caso el de menor temperatura es, por su masa, el que tendrá mayor contenido en energía térmica no?? y como el flujo de calor siempre es del cuerpo de mayor al de menor temperatura, nos encontramos en este caso, con que el de menor contenido en energía interna pierde energía térmica y el de mayor contenido gana energía térmica, es decir fluye el calor del carbón al iceberg, por estar el primero a mayor temperatura y entonces el carbón pierde energía que gana el iceberg, por tanto cuando se igualen las temperaturas, no podemos decir que el contenido en energía térmica es el mismo, como en el caso anterior..... esto es lo que me confunde que exista transferencia de calor del que tienen menos energía al que tienen más.... es correcto esto?? gracias

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Bueno yo no había completado de leer todo el post y ya había empezado a contestar con este ejemplo, 1 pequeño trozo de hierro incandescente al rojo vivo de 1 gramo de masa tiene mas temperatura que 1 litro de agua a temperatura ambiente .
si el hierro toca al agua le cede calor,hasta el equilibrio térmico e igualan temperaturas. Así el equilibrio se da cuando igualan temperaturas, no cuando uno tiene mas energía que el otro. Evidentemente una limadura de hierro tiene menos energía que un litro de agua y menos que un océano que producirá el mismo efecto. Es decir la el calor no fluye del que tiene mas energía al que menos, sino del que tiene mas temperatura al que menos tiene.

Sucede que cada tipo de materia tiene cierta facilidad a a almacenar energía térmica en su masa, esa facilidad se mide como calor específico, cuanto mayor el calor especifico menos es el salto de temperatura que experimenta al recibir o ceder una determinada cantidad de calor, que es un flujo de energía entre uno u otro cuerpo o entre sistema y ambiente o como lo definas.

esto lo visualizas fácil si igualas la masa el agua con la de hierro o la del carbón, ,antes experimentalmente se hacia así , se daban cuenta que por cada grado centigrado que sube el agua el hierro bajaba $y$°c el carbon $z$°c , el alcohol $w$°c y así , luego al incrementar las masas o variarlas se dieron también cuenta que en realidad el calor o flujo energetico intercambiado era una propiedad extensiva, y que si se duplicaban masas de ambos lados el intercambio energético era también del doble de alli sur que el calor intercambiado sea

$Q=m_1Ce_1(Tf-Ti_1)=-m_2Ce_2(Tf-Ti_2)$

La energía de cada material, se mide contra un cero teórico que nunca ha sido definido, así que decir que al tiene 1000 J debes decir respecto de que, solo sabemos entonces cuanto se ha movido de un cuerpo a otro y que en teoría lo que es capaz de ceder si el calor especifico fuera constante con la temperatura, que parece ser una buena aproximación es que si el cuerpo de masa m esta a temperatura T en centígrados tendría una energía térmica de

$E_{masa1}=m_{asa}Ce(T+273.15)$

puesto que no puede brindar mas energia que lo que el mismo puede descender su propia temperatura hasta el cero absoluto... Bueno se sabe que experimentalmente se encuentran ciertas variaciones de calores especificos en los materiales, algunos cambian de fase, así que no para todos esto es cierto, para cada material y estado hay una capacidad de almacenar y ceder el calor incluso para los gases tenes diferencia si lo haces a presión constante o volumen constante con Cp o Cv como constantes caloríficas.


Edito Hola Antonio, no habia visto , tu aporte. Saludos

[China]

Muchísimas gracias a los dos.....entonces por concluir podemos decir, la temperatura no es una medida del contenido en energía térmica de un cuerpo, pero si es una medida de ña capacidad de transferencia de energía no?? es decir no por estar a más temperatura tienen más energía, pero si lo cederá más fácil.

[arivasm]

El concepto de temperatura no es precisamente inmediato, salvo que nos quedemos con la idea de que es un "no se qué" tal que la transferencia de energía en forma de calor (es decir, diferente del trabajo) se efectúa en el sentido "mayor hacia menor". De esa manera tenemos fácil recordar cómo interviene la temperatura pero a cambio no nos enteramos de qué es.

Podemos subir un escaloncito pensando que la temperatura es "una medida" de la energía cinética media por partícula (aunque esto no es correcto salvo que comparemos puntos de la misma substancia y en la misma fase). Por eso, cuando hay contacto entre dos puntos a diferente temperatura, las colisiones distribuirán la energía al azar, pero lo más probable es que la trasladen desde donde la temperatura es mayor hacia donde es menor. Todavía no aclaramos demasiado, pero algo es algo.

En el párrafo anterior he hecho un subrayado porque el siguiente escalón quizá ya sea el estadístico. La temperatura en realidad mide la probabilidad de que, al tomar un colectivo suficientemente pequeño como para que la magnitud conserve su carácter intensivo (es decir, asociado con "puntos" de la substancia o sistema, no con el conjunto del mismo), si elegimos al azar una de sus partículas (átomo, molécula o lo que se trate) ésta se encuentre en un estado excitado.

Quizá no me estoy explicando ni expresando muy bien: la idea es que, como sucede con cualquier sistema cuántico (y al hablar de una propiedad microscópica no nos queda otra que tirar por ahí) las partículas poseerán una colección de estados energéticos. Pues bien, la población de los estados excitados aumenta con la temperatura. Por eso al haber contacto entre partes a diferente temperatura, las de mayor tenderán a caer a estados de menor energía que será entregada (excitando) partículas vecinas en lugares donde la temperatura es menor. Eso sí, recordemos que es un juego donde no está prohibido el proceso contrario, solamente sucede que es menos probable.

Si queremos evitar ese punto de vista entonces tenemos que tirar por la relación entre energía interna y entropía: la temperatura, o mejor dicho su inversa, mide la rapidez de variación de la entropía de una porción infinitesimal de un sistema al variar su energía interna porque reciba calor (es decir, repito, energía en una forma que no sea trabajo) de su entorno. Matemáticamente, $\dfrac{1}{T}=\left(\dfrac{\partial S}{\partial U}\right)$. Si en dos condiciones diferentes la misma cantidad de calor recibido produce en una de ellas un aumento mayor de la entropía (es decir, mayor "desorden" térmico) entonces es porque la temperatura es menor. La razón por la que el calor fluye de mayor temperatura a menor es, entonces, por el segundo principio de la termodinámica: la entropía total tiende a aumentar, para ello la misma transferencia de calor debe causar un aumento mayor de entropía en el lugar donde es recibido que disminución provoca en el vecino del que procede. De acuerdo con lo anterior, es lo mismo que decir, que debe fluir hacia donde la temperatura es menor.

[China]

Muchas gracias!! Creo haberlo comprendido!!!

[JCB]

Hola a tod@s.

Entonces, estimad@s amig@s, me ha venido la siguiente duda, que expongo a continuación.

En un gas ideal, la energía térmica coincide con su energía interna. Y esta última se expresa en función de su temperatura:

$U=nC_vT$, y también $U=\dfrac{3}{2}nRT$ (para un gas monoatómico).

Pero en un sólido, o un líquido, ¿ cómo se puede expresar su energía térmica o interna ?.

Gracias y saludos cordiales,
JCB.

[arivasm]

Del mismo modo que el gas ideal no deja de ser un modelo, las expresiones que pides también procederán de modelos. El único que me viene a la mente es el de Debye, para sólidos cristalinos perfectos (otro es el de Einstein, pero se ajusta peor a las observaciones). Imagino que habrá más, pero los desconozco. A ver si alguien por aquí nos dice algo al respecto.

[JCB]

Estupendo, arivasm. A ver si logro sacar algo en claro del modelo de Debye. Saludos cordiales, JCB.